PROGRAMME CEE-CIRAD N" TS2A 0017 F CD FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE DES BAS-FONDS SYNTHESE PRELIMINAIRE

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1 nstitut Sendgalais de Recherches Agricoles (SRA) Centre de Coopération nternational en Recherche Agronomique pour le Développement 4 (CRAD) nstitut Français de Recherche Scientifique pour le développement en Coopération (ORSTOM) R% PROGRAMME CEE-CRAD N" TS2A 007 F CD FONCTONNEMENT HYDROLOGQUE DES BAS-FONDS SYNTHESE PRELMNARE Jean ALBERGEL Charge' de Recherche hydrologue UR 2B Département Eaux Continentales de 'ORSTOM Dakar, Novembre 988

2 ~ 3 3 >- Programme CEE-CRAD n e TS2A 007 F CD. - - RESUME Les bas-fonds de l Afrique de l Ouest sont définis à partir d un modèle idéal. L ensemble des connaissances sur le fonctionnement hydrologique des bas-fonds est passé en revue. Une synthèse géographique des études a été réalisée à partir d une recherche bibliographique. Enfin sont décrits les grands types de bas-fonds de la zone soudano-sahélienne. Leur fonctionnement hydrologique est expliqué en relation avec la morphologie et l hydrodynamique des sols et des états de surfaces. Des ordres de grandeur sont donnés par grande famille. Sont abordées les possibilités d aménagement en fonction de la ressource en eau. NTRODUCTON Depuis la bordure nord du Sahel jusqu aux zones forestières du sud de la GUNEE, les basfonds sont de plus en plus cultivés. Le développement des cultures dans les bas-fonds est lié à l augmentation des contraintes de l agriculture pluviale sur les versants: sécheresse dans le Nord (GROUZS & ALBERGEL, à paraître), appauvrissement, érosion des sols ou manque de terres arables sur les versants, sous les climats plus humides. Le développement des ressources des bas-fonds nécessite la conception d ouvrages hydrauliques assurant le stockage, la distribution de l eau d irrigation et la protection contre les crues. Chaque aménagement doit être pensé à la fois en fonction de la ressource en eau (risque de défaillance) et en fonction des contraintes qu il impose à la société rurale qui va l utiliser : difficultés de gestion, en terme d eau, de terres et de travail ( LAMACHERE, 986 SERPANTE, 988). Dans le cadre du programme de recherche Typologie, fonctionnement hydrologique, potentialités agricoles des bas-fonds de l Afrique de l Ouest élaboré dans le cadre du réseau R3S, une synthèse préliminaire de l ensemble des acquis sur la caractérisation, le fonctionnement hydrologique et l aménagement des bas-fonds était prévue à la fin de la première année de travail. Au cours des réunions â OUAGADOUGOU du Février et du 28 et 29 Avril 988, une synthèse sectorielle concernant les études en hydrologie a été confiée à ORSTOM. Suivant les orientations prises au cours de ces réunions de travail cette synthèse comprend trois parties : -Définition d un bas-fond et description du bas-fond modèle idéal rencontré en zone soudano-sahélienne. i. -Synthèse des études consacrées au fonctionnement hydrologique et à la détermination des paramètres de l écoulement nécessaire à tout aménagement. L aspect répartition géographique des études est abordé en même temps que les thèmes de ces études. -Les grands types de bas-fonds de la zone soudano-sahélienne et leur fonctionnement hydrologique en relation avec la morphologie, l hydrodynamique, les sols et les états de surface. Synthese pr6liminairs. Hydrologie

3 l. DEFNTON ET PRESENTATON D UN BAS-FOND TYPE.l.Définition Suivant RAUNET (985), les bas-fonds sont les fonds plats ou concaves des vallons et petites vallées dans les parties amont des réseaux de drainage,(fig.l). ls représentent des ccunités de milieu)) spécifiques et essentielles au sein des paysages tropicaux. Ce sont les axes de convergence préférentielle des eaux de surface, des écoulements hypodermiques et des nappes. ls reçoivent également les transports solides des versants. Après un certain nombre de confluences de bas-fonds, lorsque le bassin hydrologique devient assez vaste et que les écoulements des cours d eau acquièrent une compétence suffisante (tri des matériaux, constructions de levées, formation de cuvettes etc...), le basfond fait place à la plaine alluviale. Les bas-fonds se distinguent des vallées alluviales classiques par: -la taille du bassin versant (de 0 à 200 km2) -leur.largeur souvent remarquable -la faiblesse de la pente longitudinale (< 3%) -la dynamique de sédimentation et d érosion est faible -l engorgement ou la submersion des sols pendant une période plus ou moins longue de l année. RAUNET (985) présente un modèle synthétique et idéal d un bas-fond de la zone soudano sahélienne (fig.2)..2. La tête de bas-fond : Les têtes de bas-fonds sont souvent élargies en <<spatule>) ou en <(amphithéâtre>>. Les sols sont sableux : l altération en.place est proche de la surface. La nappe phréatique y affleure. L eau de ruissellement s écoule librement et disparaît rapidement après les crues. Le bassin versant a une superficie allant de quelques hectares au km2. On n y distingue pas encore de réseau hydrographique. Le ruissellement se fait en nappe en suivant des chemins préférentiels marqués par la différenciation des pellicules de surface (CASENAVE & VALENTN, 988).3.La partie amont : Une discrète entaille formée par la concentration des eaux apparaît au centre du profil transversal qui devient horizontal de part et d autre de cette entaille. Les flancs sont nettement concaves. Les sols deviennent argilo-sableux et peuvent y acquérir,. si le régime. hydrique est assez contrasté, des caractères vertiques. ls contiennent une part de matériaux issus des versants. On ne remarque pas d alluvions. Synthese prelimhaire. Hydrologie

4 ~ i Programme CEE-CRAD n - TS3A 007 F CD 3 i l L i. E : i' Fig. 2 - Différenciation morpho-pédologique d'un bas-fond d'amont en aval (RAUNET, 985) Synthese pr6liminaire. Hydrologie

5 ( Programme CEE-CRAD n TSZA 007 F CD 4 La nappe de surface inonde le centre du bas-fond et peut persister en début de saison sèche. l existe généralement deux nappes superposées : -Une nappe profonde dans l axe du bas-fond située dans les altérites. Elle provient des infiltrations sur les versants. Elle alimente les veines d eau dans les fissures de la roche mère. -Une nappe d eau libre saturante, plus temporaire se trouve perchée dans la couche superficielle argilo-sableuse plus ou moins perméable. La surface du bassin versant est de 5 à 20 km2. Le ruissellement de surface se concentre dans le centre du bas-fond. Les ravines d érosion venant des versants disparaissent dans la zone de raccordement et créent des zones d inondation et d écoulement de sub-surface (PLANCHON & al, 987). Le degré et le temps d inondation par les crues dépendent de la pente longitudinale et du contrdle hydraulique aval. La violence des crues dépend du régime pluviométrique et de la perméabilité des versants. Le bas-fond est généralement perméable en début de saison des pluies. Cette perméabilité est induite par la végétation, l activité de la mésofaune, et les fentes de retrait lorsque le sol a un caractère vertique. devient rapidement imperméable lorsqu il est gorgé d eau..4. Partie aval : Le bas-fond s élargit, son profil transversal s aplatit. Le cours d eau est bien marqué et encaissé. est bordé de discrètes levées alluviales. Un véritable remblai colluvio-alluvial de texture argilo-limoneuse souvent colmaté et parfois 8 caractère vertique surmonte la couche sablo-gravillonnaire qui repose sur l altérite. La présence des deux nappes superposées (décrites précédemment) est presque systématique. La nappe superficielle logée dans le remblai argilo-limoneux est alimentée par le cours d eau et sa fluctuation est liée au régime des crues. Le bassin versant a une surface de quelques dizaines de km2 à 200 km2. C est l écheile de la plupart des aménagements de type villageois (GRET, AFVP & ACCT, 988). Par rapport aux tronçons amont, le régime hydrologique se complique en raison de l origine diversifiée des apports ( pluie directe, ruissellement, crue, nappe générale, nappe perchée ) et de leur décalage dans le temps. En pleine saison des pluies le bas-fond s inonde, les crues ont généralement du mal B s évacuer, le temps et le niveau de submersion dépendent de la topographie de la vallée alluviale aval qui contrdle l hydraulicité du bas-fond en phase inondée. La perméabilité de ces sols est assez faible vue leur texture argilo-sableuse ou argilolimoneuse. Elle varie en fonction de l état de surface : sur les parties non cultivées le sol est couvert d une pellicule de décantation, reposant sur une surface réorganisée comprenant une superposition de pellicules a éléments fins. La perméabilité globale de ces sols mesurée sous pluie simulee et ä état saturé est toujours inférieure à 0 mm/h (ALBERGEL, 987). C est dans cette partie que l on trouve le plus fréquemment les cultures. Ces dernières induisent des organisations de surfaces particulières et des variations dans les paramètres hydrodynamiques des sols. Synthèse prhliminairs. Hydrologie

6 * P!ogr amme CEE-CRAD n TSZA 007 F CD 5 2. ESTMATON DES PARAMETRES HYDROLOGQUES Les aménagements de bas-fonds requièrent trois grands ensembles de paramètres hydrologiques: -Les paramètres climatiques et particulièrement les précipitations qui conditionnent la ressource en eau. -Les paramètres liés à l écoulement dans le marigot : crues, tarissements... -Les paramètres liés à l utilisation de l eau pour les productions agricoles et forestières. 2.. Les études pluviométriques utiles A la maltrise de l eau dans les bas-fonds. L aménagement d un bas-fonds commence par la prise en considération de la zone climatique où il se trouve et par la recherche de chroniques pluviométriques. Des fichiers pluviométriques sont disponibles pour toute la zone climatique de l étude dans les services météorologiques nationaux, à l ASECNA, principal gestionnaire de données pluvioniétriques en Afrique de l Ouest, à AGHRYMET qui fournit ces données sur support informatique, à ORSTOM où les données pluviométriques sont de plus critiquées et fournies avec une appréciation sur la qualité de la mesure. Le rassemblement et la compilation des données pluviométriques historiques ont rapidement révélé d importantes anomalies dans les observations confiées à des bénévoles : changement de site, défaut d appareillage, erreurs d observations. Pour la critique des données pluviométriques il existe un outil fiable et performant : <<le vecteur régionab. s agit de comparer les valeurs modales d une station à celles d un ensemble de stations. (HEZ, BRUNET MORET, 979). L analyse statistique des séries corrigées et homogénéisées permet d obtenir les paramètres utiles à l analyse hydrologique. (BRUNET MORET, 969) 2.. Pluviométrie annuelle C est le paramètre utilisé dans les méthodes de prédétermination de l écoulement annuel et dans les bilans hydriques à l échelle de l année. existe de nombreuses études régionales de ce paramètre. Citons l ensemble des grandes monographies hydrologiques (fig. 3) où l on trouvera les données pluviométriques critiquées et analysées pour les principales stations de longue durées de l Afrique de l Ouest. Avec la sécheresse des dernières années un grand nombre de publications s est intéressé à la pluviométrie annuelle en zone soudano-sahélienne et aux méthodes d analyse des chroniques existantes. La stationnarité des séries est remise en question ainsi que la notion de morme climatique%>. (CARBONNEL et HUBERT, 985, SNDJERS, 986, MUSY et MEYLAN, 987) Citons également des études mettant en relation la pluviométrie annuelle, la ressource en eau et la production végétale : ALBERGEL et AL 984, ALBERGEL et AL La periode servait de norme climatique (OMM) Synthese pr6liminairc. Hydrolosic

7 G Fig. 3 : Monographies hydrologiques en Afrique K de pluie journalière (Brunet Moret, 969) - ~ - i Fig. 6 : Abattement pour la plüte décennale,, ynthhe prkliminaire. Hydrologie

8 ~ Synthese. Programme CEE-CRAD n - TSZA 007 F CD l 2..2 Pluviamétrie journalière C est le paramètre d entrée des modèles de prédétermination des crues exceptionnelles. BRUNET MORET, (968) montre qu une meilleure estimation des pluies exceptionnelles, est réalisée à partir de échantillon des pluies journalières supérieures B 5 mm auquel on ajuste une loi GAMMA incomplète de PEARSON tronquée. Les valeurs du paramètre GAMMA de la loi de PEARSON ont été régionalisées (fig.4) sur l ensemble de l AFRQUE occidentale. Une étude générale des averses exceptionnelles a été réalisée pour chaque pays de l AFRQUE Occidentale et du TCHAD, et a donné lieu à une synthèse (BRUNET MORET, 968). Cette étude basée sur l analyse des relevées pluviométriques et des enregistrements de pluviographes a permis de déterminer les hauteurs de précipitations journalières de fréquence rare et d établir les courbes ((intensité-durée-fréquence,, pour diverses périodes de récurrence. Une étude plus récente a été réalisée par le CEH (LAHAYE, 980, CEH, 985). En exemple la figure 5 donne les isohyètes des pluies journalières de fréquence décennale calculées par un ajustement de la loi de GALTON pour une partie de l AFRQUE de l Ouest. L ajustement d une loi de GALTON sur l échantillon des,précipitations maximales annuelles est moins satisfaisant pour la détermination des pluies exceptionnelles que la méthode de PEARSON mais plus simple. L influence de la sécheresse sur l occurrence des événements pluvieux exceptionnels est peu sensible (ALBERGEL, 986). On montre en effet que le nombre d événements exceptionnels n est pas statistiquement différent dans la période humide antérieure à 969 et dans la période sèche actuelle. Ce résultat présenté au colloque sur la révision des normes hydrologiques (OUAGADOUGOU, 986) montre que les études régionales sur les risques de précipitations extrêmes sont toujours utilisables et en particulier les cartes de la pluie journalière décennale. Pour passer de la pluie B écoulement il faut estimer une précipitation moyenne sur le bassin versant du bas-fond. Pour passer d une précipitation ponctuelle de récurrence donnée 9 la précipitation moyenne de même récurrence on peut utiliser l étude de VULLAUME (974) sur l abattement des pluies en milieu tropical. La figure 6 donne un abaque pour calculer le coefficient d abattement relatif à la pluie décennale. 2.2 Les parametres liés A écoulement Les bas-fonds en amont des plaines alluviales ont des bassins versants dont la superficie varie de quelques km2 à 200 km2. L étude du régime hydrologique de telles unités se fait à partir de la méthode des bassins représentatifs. Cette technique se résume par les étapes suivantes : -choisir des bassins (entre et 200 km2 environ) représentatifs du milieu (relief, végétation, sols). -y observer 2 à 5 ans de façon intense tous les éléments du cycle hydrologique, pour en déduire des relations pluie-débit fiables. -extrapoler les relations pluie-débit dans le temps sur le bassin représentatif et en faire l analyse statistique. -régionaliser les résultats pour extrapoler les données hydrologiques à des bassins 7 prdiminairc. Hydrologie

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10 Programme CEE-CRAD ne TS2A 007 F CD 9 l. non observés. La figure 7 montre la répartition géographique des bassins représentatifs étudiés en Afrique de l Ouest francophone. On remarquera que la plupart des milieux physico-climatiques du domaine que nous étudions ont été équipés. Le milieu catier et les grands ensembles sédimentaires récents ont été moins étudiés que les zones continentales (2 ensembles de bassins versants au SENEGAL contre 2 au BURKNA FASO). L ensemble des données recueillies jusqu en 972 a été collecté et traité de manière uniforme (DUBREUL 972). Cette synthèse a permis de normaliser ies observations et leur présentation. On remarquera que l échantillon des bassins versants observé est surtout caractéristique des régions à fort coefficient de ruissellement. Le choix géographique des études s est fait en fonction du risque de crues exceptionnelles. La plupart des observations de débits ont été réalisés à l amont de ce que l on a appelé partie aval du bas-fond idéal. J L information recueillie sur ces bassins représentatifs a permis diverses synthèses: -des notes de calcul permettant la prédétermination de paramètres de l écoulement utiles aux dimensionnements d ouvrages. -des études sur les phénomènes de genèse des écoulements, du ruissellement et de l infiltration. Ces études ont abouti à la conception de modèles hydrologiques performants pour réaliser la transformation des pluies en débits à tous les pas de temps Etude de l écoulement annuel dans les bas-fonds soudano-sahéliens A partir des relations entre la pluie et l écoulement annuel sur les bassins représentatifs RODER (975) a construit des abaques donnant une estimation de la distribution statistique de l écoulement annuel d un petit bassin versant en fonction de sa surface et d une typologie faite sur des paramètres physiographiques simples des bassins. La figure 8 donne en exemple l abaque de la distribution des écoulements pour un bassin de 5 km2 Le recours à une description du milieu par quelques paramètres simples, (précipitation, évaporation, pente, surface...) a fourni une estimation raisonnable de l écoulement annuel, souvent à 20% près, parfois à 50% (DUBREUL et VULLAUME 975) La connaissance de la distribution statistique de l écoulement annuel d un bas-fond permet de confronter la ressource aux besoins, dimensionner des réservoirs et de calculer les risques de défaillance. J i 7 - J i Etude des crues Tout projet d aménagement nécessite la définition d une crue dite <<crue de projet)). En fonction des observations faites sur les petits bassins versants, les hydrologues de ORSTOM ont proposé pour les petits aménagements dans la zone soudano-sahélienne, de calculer les caractéristiques d une crue dite décennale. Si les conséquences du dépassement de cette crue étaient particulièrement désastreuses, on serait conduit à prendre une marge de sécurité plus ou moins grande par rapport à la crue calculée,ce qui revient à considérer une crue de fréquence plus rare. La crue décennale calculée pour l aménagement d un bas-fond se définit comme la crue provoquée par une pluie décennale, toutes les autres conditions du ruissellement étant Synthèse pr6liminait.e. Hydrologie

11 7 ;ogramme CEE-GRAD n * TSZA 007 F CD 0 moyennes : saturation des sols, forme de la pluie, développement de la végétation... Deux méthodes de prédétermination de la crue de projet existent sur l ensemble de l Afrique de l Ouest pour des bassins sur lesquels on ne dispose d aucune mesure hydrologique : -La méthode RODER & AUVRAY (965) pour les bassins de 0 à 200 km2. Elle repose sur une estimation globale de la capacité d infiltration du bassin, organisée en 6 classes. Cette capacité associée à un domaine climatique, à une classe de relief età la surface permet d estimer l ensemble des paramètres de la crue de projet : volume ruisselé, débit de pointe, temps de montée, temps de base. La méthode de RODER & AUVRAY est en cours de révision pour intégrer l ensemble des données récentes. Une première note pour les bassins dont la superficie est inférieure à 0 km2 a déjà été publiée (RODER & RBSTEN, 988). La figure 9 donne la procédure de calcul de la part du ruissellement do à une averse décennale sur un bassin de superficie inférieure à 20 km2. -La méthode PUECH & CHAB GON (984) pour des bassins allant jusqu à 600 km2. Les différents paramètres de la crue décennale calculée sur les bassins représentatifs ont été mis en relation avec les caractéristiques physiques du bassin par régression multiple. La surface et l indice globale de pente sont les facteurs déterminants de la méthode (fig.0). Pour la mise en oeuvre de l une ou l autre de ces méthodes on peut se référer à l ouvrage <<Le point sur la maîtrise des crues dans les bas-fonds)). GRET, CF, ACCT (987). Dans ce dossier sur les aménagements de bas-fonds, RBSTEN donne des informations pratiques sur ces méthodes et en fait la critique. faut retenir de cette critique les points suivants: -pour les bassins dont la surface est inférieure a 0 km2, il faut utiliser la méthode RODER & RBSTEN en employant les diagrammes et le questionnaire <<check-list>> spécifiques à cette gamme de bas-fonds. -pour les bassins dont la surface est comprise entre 0 et 20 km2 il est.possible d utiliser la méthode RODER & AUVRAY de 965 (en attendant la révision) ou la méthode PUECH & CHAB GON. La première méthode demande une bcnne connaissance des régimes sahélo-soudaniens, la seconde est plus facile d emploi.. -pour les bassins dont la surface est comprise entre 20 et 600 km2 la méthode de PUEH & CHAB GON est la seule à donner des résultats, mais elle n est utilisable que pour des bassins versants ni trop perméables, ni trop imperméables avec une dégradation hydrographique modérée. Pour des aménagements sur des bas-fonds dont le bassin versant dépasse 20 km2, il est possible de se rattacher à des études régionales lorsqu elles existent. Citons en exemple l étude de la prédétermination de la crue de projet pour la région MAL-SUD (région de SKASSO) (LAMAGAT, 980). La figure donne le débit spécifique de la pointe de crue décennale pour des bassins dont la superficie varie de 30 à 00 O00 km2. l n est possible de dresser de tels abaques que par unité régionale homogène où les paramètres: géologie, climat, sols,états de surfaces et relief, ne varient pas avec l échelle). Ces méthodes de calcul mises au point pour une région donnée sont encore peu nombreuses. Un tel travail a été réalisé pour l ensemble des unités géographiques du CAMEROUN (OLVRY, 986) Synthese preliminaire. Hydrologie

12 D...il.,:,,.. C,, Fig. 8 : Répartition statistique de 'écoulemen sur un petit bassin versant (Rodier, 975) ABAQUE DE CALCUL DU D E B T DE CRUE DECENNAL Aboqur 8 c- too. 0.loo, *o.o..o 0 c - M.40.w to urfoo0.:y P.----, n'.- PVOT o.:.,..i ralo -- Fig. 0 : procédure de cnlcul du débit de crue décenna... (Puech & Chnbi Goni, 984) 7!O.: ' ul. '" a 4 L i Synthèse préliminaire. Hydrologie

13 . Programme CEE-CRAD n. TS?A 007 F CD Ecoulement de base et relation avec la nappe alluviale Dans une grande partie du domaine climatique qui nous intéresse (Nord de l isohyète 800 mm) et vue la taille des unités hydrologiques concernées, l essentiel de l écoulement provient du ruissellement pendant la crue et l immédiat après-crue. On ne peut donc pas parler d écoulement de base. Entre les isohyètes 800 et 000 mm on observe un écoulement quasi permanent pendant toute la saison des pluies dans les bas-fonds. Cet écoulement peut être tris faible lorsqu apparaît une période de 0 jours sans pluies. est rare qu il persiste plus d un mois après la dernière pluie de l hivernage. Le tableau suivant donne les conditions d apparition d un étige annuel non nul sur un bassin (DUBREUL, 986). Pluie (mm) < O à à 600 Tableau : Occurrence d un débit d étiage dans un bas-fond en Afrique de l Ouest Bassin Schistes, argiles Terrains granitiques Grès Shistes, argiles, gneiss QE Jamais Jamais Q-eO.5 l/s/km2 si nappe temporaire bien drainée Qc0.5 /s/km2 toujours Jamais 2 a. Terrains granitiques b. Grès si nappe temporaire bien drainée Toujours a et b : <Q<7i/s/km2 >600 Tou jours <Q<9/s/km2 Les relations entre écoulement et les nappes alluviales n ont fait l objet que de très peu d études. Dans la plupart des travaux sur bassin versant les ressources en eau souterraine ont été négligées. Lorsqu il a été tenté d en faire l estimation, on s est limité à une analyse sommaire des valeurs annuelles des données pluviométriques, des évaporations, et de ruissellements pour évaluer la partie infiltrée à l échelle annuelle et parfois mensuelle. Notons cependant quelques études qui ont associé hydrologues et hydrogéologues: -Bassin versant de KORHOGO en COTE D VORE (CAMUS et al, 976) Synthese préliminaire. Hydrologie

14 < i , Programme CEE-CRAD n TSBA 007 F CD 3 -Bassin versant de SANGUERE au CAMEROUN (CASENAVE, 978) Si l hydrogéologie des grands aquifères (ARCHAMBAULT, 960) et celle des milieux fissurés (PONTET, 985) commence à être bien connue en Afrique de l Ouest, on a encore peu de données sur les petites nappes alluviales des bas-fonds. Ces nappes sont souvent temporaires mais peu profondes et exploitables plusieurs semaines après la saison des pluies. Dans plusieurs projets d aménagements de bas-fonds les eaux souterraines apparaissent comme une ressource intéressante pour relayer les eaux de surface dans l irrigation des cultures de contre saison. Des aménagements permettent une meilleure recharge des nappes alluviales: digues filtrantes, barrages souterrains... Mais les études les concernant restent le plus souvent à faire Recherches sur les phénomènes d écoulement, ruissellement 2.3. Modélisation hydrologique La recherche fondamentale sur les phénomenes de genèse des écoulements, du ruissellement et de l infiltration s est développée parallèlement aux travaux appliqués sur les bassins représentatifs. Elle a permis la conception de modèles hydrologiques. Ces modèles ont des objectifs variés allant de la prédétermination de crues types, à la génération de chroniques de données, en passant par la simulation du fonctionnement de systèmes d eau. Parmi les modèles appliqués aux bas-fonds en Afrique de l Ouest on distingue les modèles à discrétisation spatiale d une part et les modèles globaux d autre part (SERVAT, 986). En ce qui concerne les premiers, le bassin versant est découpé en surfaces élémentaires, chacune d elles réagissant à sa manière et ayant ses propres fonctions de production et de transfert. Dans cette catégorie on citera le modèle GRARD & LEDOUX (98) adapté aux petits bassins versants (CHEVALLER et al, 985, ALBERGEL et al, 987). Le bassin versant est découpé en unités de surface homogène à partir d images satellite. La fonction de production de chaque surface est obtenue par une expérimentation sous pluie simulée. En illustration de cette méthode la figure 2 montre une simulation des niveaux d eau dans la mare d OURS (SAHEL) pour différentes hypothèses de pluviométrie. Avec les modèles globaux, par contre, on ne considère qu une fonction de production et qu une fonction de transfert, le bassin étant réputé réagir dans son ensemble. Citons le modèle de l hydrogramme unitaire (DUBREUL, 974) qui permet la prédétermination des crues. Une synthèse intéressante sur les différentes fonctions de production au pas de temps journalier a été réalisée par SEGUS (987) sur l ensemble des bas-fonds sahèliens. Les modèles conceptuels et globaux CREG, MODGLO, MODB, présentés par SERVAT dans sa note de 986, permettent la simulation des écoulements a des pas de temps variables. Utilisables sur micro-ordinateurs, ce sont des outils performants pour l analyse de la ressource en eau des bas-fonds de l Ouest Africain. Parallèlement au développement des modèles hydrologiques, des recherches ont été menées pour la transposition des caractéristiques hydrologiques d un bassin étudié a un bassin inconnu. Des méthodes de caractérisation du milieu ont été développées. Les facteurs conditionnant le ruissellement ont été hiérarchisés. Cette hiérarchie montre la prédominance des états de surface pour la zone climatique qui nous intéresse (ALBERGEL et al, 985). Synth6se préliminaire. Hydrologie

15 u., \ % i J low Pot Fig. ZONE SUO du MAL DEBT SPECFOUE DECENNAL EN FONCTON DE LA SURFACE DU BASSN LAMAGAT WO ) o Louloumi Bougounl Douna 300 mm O, 00 -.*ann Fig. 2 : Simulation des niveaux d eau dans la mare d OURS (Chevallier & al, 985) Synthese pr6liminaire. Hydrologie

16 i i Programme CEE-CRAD n TS2A 007 F CD La cartographie des états de surface mise au point par VALENTN (985) permet de diviser un. bassin versant sahélien en aires contributives homogènes au ruissellement. Un catalogue des états de surface a été publie (CASENAVE & VALENTN, 986). Ce répertoire des aptitudes au ruissellement des sols de la zone soudano-sahélienne présente pour chaque état de surface les caractéristiques qui permettent de l identifier (photos à l appui) et les caractéristiques hydrologiques correspondantes, en particulier les paramètres de l inf il trabilité Méthodes de calcul de l évaporation Dans la zone intertropicale l évaporation est un terme majeur du cycle de l eau. L évaporation mesurée sur bac, sol nu, varie de 4800 /an dans le sahel prédésertique à 2600 /an sous l isohyète 200 mm. Les méthodes utilisant les lois de la thermodynamique (bilan énergétique et aérodynamique) ont été appliquées à l échelle de la station expérimentale. On peut citer entre autre les travaux de ROU (980) réalisés à NDJAMENA, BANGU et à BRAZZAVLLE. ROU montre diverses corrélations entre type de bac d évaporation en fonction de l environnement et entre l évaporation et le rayonnement solaire. cale la formule de calcul du rayonnement net aux conditions sahéliennes et propose une méthode de calcul de ETP (fomule de PENMANN modifiée). Plus appliquée aux aménagements, étude de l évaporation des plans d eau libres de la zone intertropicale (POUYAUD, 985), montre qu il est possible de calculer l évaporation: -soit A l aide de corrélations avec des mesures bac ou avec des paramètres climatiques (température, - rayonnement) au pas de temps mensuel et annuel, mesurées en station climatique de référence -soit par l approche énergétique au pas de temps mensuel et décadaire (formule de PENNMAN ou de PRESTLEY TAYLOR) -soit enfin par la méthodes des transferts globaux à tous les pas de temps, du jour à l année. Si ces notions d évaporation <<climatiques sont proches de ce qui se passe dans un bas-fonds inondé, il n en est pas de même sur les versants où l évaporation résulte essentiellement de la transpiration des plantes. L évapotranspiration réelle de la végétation est un domaine de recherche récent commun aux agronomes et aux hydrologues. Ce thème forme un axe prioritaire du réseau R3S principalement dans sa composante parcelle. Des études effectuées au SAHEL, on peut citer : -8 échelle de la parcelle, les travaux de CHARROY et 3 (978), FOREST, (984), L HOMME & ELDN (985) -à l échelle régionale et utilisant la télédétection, les travaux de SEGUN et al.( 985) et ASSAD et al (986). 5 Synthese préliminaire. Hydrologie

17 , b?, Programme CEE-CRAD n TS2A 007 F CD., Synthese préliminaire. Hydrologie, Notons également la synthèse présentée par REYNER & FOREST (988) sur l amélioration de l alimentation hydrique de l agriculture pluviale au sud du SAHARA Ruissellement, erosion, evolution avec les activites anthropiques Du bassin expérimental conçu comme un o util hydrologique destiné a tester les effets des modifications d occupations des sols sur la ressource en eau on passe normalement au concept d aménagement du bassin : recherche de la localisation spatiale dans un bassin versant ou dans un territoire villageois des différentes activités humaines - élevage, forêt, cultures, etc, de sorte que les productions agro-sylvo-pastorales soient maximales (et économiquement rentables) et que les potentiels en terres et en eaux soient conservés.>) (DUBREUL, 986) L eau apportée au sol soit par précipitation, soit par irrigation a trois devenirs possibles. : le ruissellement immédiat, l infiltration ou l évaporation. La part relative de l infiltration dépend de la nature du sol et surtout de son état de surface. Ces derniers paramètres varient avec l occupation du sol et les modes culturaux. ROOSE (977) montre que le ruissellement et l érosion croissent énormément après défrichement, mais s amenuisent sous cultures couvrantes (forte densité) et si l on protège le sol par de la litière (MULCH). montre également que l équation de pertes en terre de WSCHMEER est applicable en Afrique tropicale aprês réglage de ses différents paramètres. La simulation de pluie a apporté également des informations intéressantes sur l évolution des perméabilités des sols en fonction des occupations. Par exemple, la part du ruissellement dq 8 une pluie de 40 sur parcelle passe de 80% quand le couvert végétal de graminée décroît de %, atteint % sur le même sol cultivé et dépasse 40% sur le sol nu (fig.4, ALBERGEL & VALENTN, 986) On montre également que pour des techniques culturales traditionnelles (travail du sol A la houe, buttes MOSS dans les bas-fonds), la lame infiltrée est la résultante de deux variables dont les poids sont équivalents : la pluie d imbibition et le coefficient d infiltration en fin de pluie. La première de ces variables est liée 8 la rugosité du sol résultant de son travail, la seconde est liée 8 la présence de la litière et de l activité de la mésofaune (ALBERGEL, 987). La carte 3 montre les différents sites où une expérimentation de pluie simulée a eu lieu. Sur chaque site, l ensemble de la toposéquence a été testé et on dispose de données sur les sols et états de surface du bas-fond ( en général trois parcelles ont été installées dans le basfond pour chaque site). En zone de savane tropicale (Nord de la COTE D VORE, Sud du BURKNA FASO ), la reprise apres 20 ans d anciens bassins représentatifs a permis de quantifier les effets d un accroissement des terres cultivées sur les caractères hydrologiques du bas-fond. Cet accroissement des cultures est lié à la croissance démographique, et 8 la diminution du rendement pendant les années de sécheresse. (Cf. ALBERGEL & GODA, 986, GROUZS & ALBERGEL, à paraître, ALBERGEL et al, à paraître). Sur le bassin sahélien de KOGNERE (BURKNA FASO) où les cultures de mil passent de 6 à 37% de la surface le ruissellement d une pluie de 40 mm passe de 2 à 42% (les autres conditions de ruissellement étant sensiblement les mêmes) 6

18 7 t. Ours Q Co:: TOTC CA"ïiCun -. hngo 2. fou 3. Agbe3y i. AmiCiJro 5. lion 6. Lour 7. Ta7 8. Maranien6 5. ~:OrOssanti,~kdha 2. Dooro-Oorotou 28. Uaralt 9. Lac Elta 25. Dayes 26. Kante JÛ..Hadjo.:: :. orto:c-, ). Ave A. Ka03 O. lingrela C. Adiopodoune i D. Soula H. L'cdala J.. brabadiasra li6llinqboud K. Dooro-tocotou.. AzdguiC i Y. Aboisro Y. NiCky Fig. 3 : R-satition des sites testés au simulateur de pluie.-.a,,' f:. CASEAVE et C. VALEf:T:f. Fig. 4 : Ruissellement (Albergel, 987) et occupation du sol A Synthèse prdiminaire. Hydrologie o

19 , R k - Programme CEE-CRAD n e TS2A 007 F CD DFFERENTES FAMLLES DE BAS-FONDS A partir du catalogue des bassins versants étudiés (DUBREUL et al, 972) et en s appuyant sur le modèle de référence décrit plus haut il est possible de distinguer provisoirement dans la zone climatique délimitée par les isohyètes 300 et 400 mm cinq grandes familles de basfonds, chacune caractérisée par un.type de régime hydrologique fonction du climat, des matériaux, de la morphologie et de l utilisation faite par l homme. Les trois premières familles concernent les zones cristallines du continent, les deux dernières les régions sédimentaires.plus proche de l Océan. 3. Les bas-fonds sahéliens (isohybtes 300 à 700 mm) Une des principales caractéristiques de cette zone climatique est la dégradation hydrographique. Les écoulements se concentrent dans les talwegs et dépressions par un réseau de chenaux d érosion désordonnés. Le lit des marigots généralement bien marqué à l amont dans la croate caillouteuse du sol disparaît progressivement vers l aval et évolue vers des bas-. fonds inondables au cours sinueux. Des faux bras s en détachent pour former des petites mares marquées dans le paysage par une couronne d épineux.le lit mineur du marigot tend à s estomper, il ne subsiste que sous la forme de mares allongées séparées par des seuils d alluvionnement latéraux. Dans les zones les plus septentrionales les dépijts de sable éolien peuvent venir masquer la dépression. L écoulement des crues s étale et inonde de grandes surfaces encombrées de graminées et de buissons. La stagnation de l eau et les défluents tendent à amortir les crues. Elles n en restent pas moins violentes à cause des forts coefficients de ruissellement sur les versants : le coefficient de ruissellement décennal peut être supérieur à 60% sur un bassin versant de 25 km2 (CHEVALLER et a..985). On observe de 5 à 20 crues par an. Ces bas-fonds sont caractérisés par des vertisols et des sols hydromorphes minéraux peu humifères. ls sont vite saturés et retiennent mal l eau dans des argiles gonflantes. Des fentes de dessiccation font leur apparition quelques semaines après la fin des pluies, donnant l image type de la sécheresse sahélienne. L eau s infiltre mal dans ces sols très imperméables après la fermeture des fentes aux premières pluies. Les flaques et mares sont reprises par évaporation. faut atteindre une dimension de bassin versant nettement plus importante que celle concernée par les bas-fonds pour voir apparaître une nappe d inféro-flux et une nappe dans les altérites en relation avec le marigot. On n observe ni écoulement de base ni mqme d écoulements hypodermiques. 3.2 Les bas-fonds des régions soudano-sahéliennes (700<P<00 mm) Les bas-fonds sont peu encaissés, a pentes longitudinales faibles, ils commencent par des vallons élargis à sols sableux lavés ou argilo-sableux colmatés sans entaille linéaire (fig.6). En aval ils s élargissent très vite. Le profil transversal est horizontal. Les dépôts de colluvioalluvions de à quelques mètres d épaisseur sont entaillés par un petit cours d eau profond coulant par intermittence. Les dépbts sont souvent argileux. Ces dépôts sont alimentés par l érosion des bassins versants. Les conditions de dépôt sont variables en fonction de l intensité des pluies et de la violence des crues: formation de couches superposées sablo-gravillonnaires (écoulements forts) et argilo-limoneuses (écoulements lents). Synthese prhliminaire. Hydrologie

20 4.. d,i ( - Programme CEE-CRAD n. TS2A 007 F CD Synthèse preliminaire. Hydrologie L hydrologie est caractérisée par de fortes crues créant une submersion générale en saison des pluies. La nappe d inondation est généralement épaisse, sa persistance dépend du degré de colmatage des sols et du contr6le hydraulique aval. Elle alimente par infiltration dans le remblai une nappe phréatique peu profonde et à forte vitesse de circulation dans les parties sablo-gravillonnaires : c est la nappe d inféro-flux. ~ Après la saison des pluies, ou même durant des périodes sèches pendant l hivernage, la nappe d inondation tarit. Elle n alimente plus la nappe d inféro-flux qui tarit à son tour par écoulement longitudinal ou par infiltration.profonde. Seule la nappe phréatique des altérites persiste en saison sèche; son niveau baisse. Les sécheresses prolongées de ces dernières années ont conduit à l assèchement de plusieurs de ces nappes. En saison sèche, ces bas-fonds sont asséchés en surface et en profondeur sur une frange plus ou moins importante. En exemple de ces bas-fonds on peut citer les bassins étudiés par LAMACHERE (984) à NENA DONKELE et FOULASSO LELASSO à l Ouest du BURKNA-FASO et en zone plus sèche les bassins de BD dont l étude est inscrite au programme R3S/ORSTOM/CEE. 3.3 Les bas-fonds des régions soudano-guinéennes (00<P<400) Ces bas-fonds sont moins larges, plus encaissés et forment des réseaux plus denses que ceux décrits précédemment (fig.6). ls sont affectés par la remontée ou l écoulement latéral des nappes des altérites et la convergence des ruissellements superficiels. Lorsqu ils sont aménagés, les bas-fonds sont souvent utilisés pour des cultures de rente: riz, coton, maïs... Les tronçons amont ont une longueur de l ordre du km, le bassin versant drainé a alors une surface allant de 2 à 0 km2. Le profil transversal est assez concave, le lit mineur du cours d eau n est pas nettement marqué. Les sols sont très sableux en bordure et argilo-sableux au centre. Ces sols ont une porosité très faible, l infiltration des eaux de ruissellement y est faible, la nappe est alimentée par les pluies infiltrées sur les versants. Les crues fournissent une nappe d inondation peu persistante et ce sont les sorties latérales de la nappe phréatique qui assurent le remplissage, cette dernière n est pas directement af f leurante. Sur ces tronçons amont on peut prendre comme bassin type le bassin de KORHOGO au Nord de la COTE D VORE étudié par CAMUS & a.(976) En aval, le bas-fond s élargit (plus de 00 m), la pente longitudinale devient plus faible et le profil transversal plus horizontal. faut avoir un bassin de plus de 00 km2 pour passer à la plaine d inondation proprement dite, ce qui permet d avoir des bas-fonds d une dizaine de km de long. Ces tronçons constituent les parties les plus importantes pour les aménagements de type villageois. Les sols ont généralement de bonnes potentialités agricoles puisque formés sur les remblais alluviaux. Le cours d eau est bien canalisé dans un lit sinueux. alimente ou draine la nappe alluviale qui repose sur une argile sableuse colmatée. Cette nappe est sub-affleurante et ses remontées capillaires permettent d avoir un sol humide plusieurs semaines après l arrêt des pluies. 9

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